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纯净度影响着轴承钢的强度、塑性、韧性等性能,是影响其寿命的重要因素之一,降低钢中非金属夹杂物、有害气体、有害元素是提高纯净度的出发点。RH作为炼钢生产过程中重要的精炼设备,在降低钢中总氧含量、减少夹杂物方面存在明显优势,并在轴承钢生产中得到广泛应用。但对RH真空循环过程对GCr15 钢液的化学成分、纯净度变化的影响研究相对较少。为此,本文系统研究与分析了RH 真空循环过程以及不同循环时间对GCr15 轴承钢中氧、氮、钛、钙以及夹杂物数量、类型的影响,为优化轴承钢生产工艺,提高产品质量提供必要的现场控制及理论指导依据。
轴承钢冶炼生产工艺路线为电炉→LF 精炼→RH真空精炼→连铸,本文采用2种不同真空处理时间工艺试验对比钢液纯净度的影响,主要指标为:钢液中氧、氮、钛、铝、钙以及夹杂物。生产设备概况如表1 所示。 在RH 真空度≤67Pa下,试验处理时间分别为20 min与40 min,试验炉次编号为No.1、No.2。试验炉次的化学成分如表2 所示。在RH 过程中,每隔5 min 取一个提桶样品,分析钢中大尺寸(夹杂物尺寸>3 μm)非金属夹杂物的数量、形貌和成分,并对RH 过程中钢液中氧、氮、钛、钙含量进行分析,确定最佳RH处理工艺。 提桶样加工与分析方法如图1 所示。在提桶样顶部钻取10~20 g 钢屑,采用光谱分析检测钢中Ca、Ti、Al 等元素含量。在底部沿径向切出直径5 mm 的气体样棒,采用氧氮分析仪分析钢中氧、氮含量。在距离底部10 mm 位置切取金相样块,采用ASPEX 自动扫描电镜观察夹杂物成分、形貌及尺寸等。通过X 射线荧光光谱分析炉渣中CaO、SiO2、Al2O3、MgO 等含量。2.1 真空循环时间对钢液氧、氮含量的影响
钢液中氧含量、氮含量随真空时间的变化情况如图2所示,RH真空循环阶段促进了钢中气体的排出,随着真空循环时间的增加,钢中总氧含量、氮含量逐渐降低;真空循环时间至20 min 时,钢中氧含量可由真空前的21.6×10-6降低至8.6×10-6,脱氧效果达到60%;钢中氮含量由真空前的54.7×10-6降低至26.3×10-6以下,脱氮效果达到51.9%。 进一步延长真空循环时间至40min,钢中总氧含量降低至7.6×10-6,总氮含量降低至23.3×10-6,从真空循环时间由20 min 延长至40 min,钢中总氧量仅降低1×10-6,总氮量仅降低3.4×10-6。No. 1 炉次在20 min 后,氧和氮突然增加的原因是由于钢液取样铸锭中存在缩孔导致T.O 含量测试不准。 钢液中铝含量、钙含量随真空循环时间的变化情况如图3 所示。RH 真空精炼阶段,随着真空循环时间的增加,钢中铝含量、钙含量逐渐降低;当真空循环时间至20min 时,钢中铝含量可由真空前的198.7×10-6降低至144.6×10-6,RH 真空循环过程平均铝损耗27%;进一步延长真空循环时间至40 min时,钢中铝含量损耗增加,由真空前的150.8×10-6降低至125.6×10-6,铝损耗达到37.5%,比真空循环20min的铝损耗增加10.5%。真空处理前,钢中钙含量基本稳定控制在5.0×10-6左右,真空循环20min 时,钢中钙含量降低至2.2×10-6,RH 真空过程脱钙效率达到56%,当真空循环时间延长到40min 时,钢中钙含量由真空20 min 的2.76×10-6降低至2.34×10-6,钙含量降低0.42×10-6。 RH真空循环40 min 过程钢中夹杂物在CaO-Al2O3-MgO 相图中分布情况如图4 所示。由图4 中的(a)~(c)可知,在真空循环的初始阶段,夹杂物中CaO 含量显著增加,这是因为真空处理过程,精炼渣和钢液剧烈反应,生成了CaO-Al2O3类夹杂物,同时,由于钢液在RH 真空循环中流动剧烈,较大尺寸的CaO-Al2O3类液态夹杂物被冲散,产生更多的较小尺寸CaO-Al2O3类夹杂物。而图4中的(d)~(i)为RH 真空循环的中后期阶段,同时由于RH 真空循环过程中钢液中氧含量的降低,原本在较高氧含量下的Al-O 平衡被打破,钢液中夹杂物数量迅速降低,最终残留一些尺寸较小的CaO-Al2O3类夹杂物以及Al2O3类夹杂物,钢中典型大尺寸夹杂物形貌如图5 所示。 整个RH 阶段中,轴承钢中尺寸>3 μm 的夹杂物成分变化情况如图6 所示。由图可以看出,真空循环时间在20min 内,两炉次钢中夹杂物的成分变化基本一致,大尺寸夹杂物中CaO 含量在真空20 min 时达到最大值,CaO 含量为15%。虽然整个RH 精炼过程中夹杂物成分不断变化,但对RH 真空循环处理结束后,钢液中夹杂物成分影响不明显。 RH 真空循环阶段,轴承钢中尺寸>3 μm 的夹杂物的最大尺寸变化情况如图7 所示。由图可知,RH 真空处理过程,钢中夹杂物尺寸逐渐减小。真空处理前,钢中夹杂物的最大尺寸平均为36.8 μm,真空处理20 min 时,钢中夹杂物的最大尺寸平均为10.2 μm,真空处理20 min 至40 min,最大夹杂物尺寸始终在5~10 μm之间波动。 RH 真空循环阶段,轴承钢中大尺寸夹杂物(>3 μm)的数密度变化情况如图8 所示。由图可知,真空循环20 min 时,大尺寸夹杂物的平均数密度降至0.17 个/mm2,真空处理20 min 至40 min,大尺寸夹杂物的平均数密度为0.05 个/mm2。(1)RH 真空处理可显著降低轴承钢中的氧、氮和钙的含量,控制真空处理时间20 min 时,去除效率50%~60%,真空时间延长,氧、氮和钙含量的去除效果明显降低。(2)RH 真空处理能显著降低轴承钢中夹杂物尺寸与夹杂物密度,真空处理20 min 后,钢中夹杂物平均尺寸为10.2 μm,夹杂物的数密度平均为0.17 个/mm2。延长真空时间,钢中夹杂物尺寸基本稳定在5~10μm 范围内,夹杂物的数密度平均为0.05 个/mm2。(3)RH 真空处理过程,轴承钢中夹杂物基本为CaO-Al2O3,延长真空时间,对夹杂物成分影响不大。同时不利于铝含量的控制。(4)采用电炉→LF 精炼→RH 真空精炼→连铸冶炼生产工艺路线,合理控制RH 真空精炼时间,可获得纯净度满足协议的优质连铸坯。免责声明:本文系网络转载,版权归原作者所有。但因转载众多,或无法确认真正原始作者,故仅标明转载来源,如标错来源,涉及作品版权问题,请与我们联系,我们将在第一时间协商版权问题或删除内容!